论文摘要：通过实验的方法，开展了多脉冲喷射模式下不同燃烧控制参数对重型柴油机低温燃烧过程影响的规律性研究，并通过这些参数的耦合作用优化出了多脉冲喷射模式下的最佳工况点。研究结果表明，在该喷射模式下获得了超低的NOx和Soot排放，同时维持了较高的指示热效率；且低温燃烧模式下积聚态微粒的平均粒径大小在40～65nm范围内，核态微粒的平均粒径大小在12～18nm范围内。
论文关键词：多脉冲喷射,指示热效率,柴油机排放,微粒数浓度,平均粒径
引言:
在能源、环境、排放法规以及贵重金属短缺等多重压力下，柴油机低温燃烧（LTC）策略已成为国内外内燃机界研究的热点。低温燃烧能够在保持低排放的同时显著地拓宽发动机的负荷范围，是满足现在和将来更加严格排放法规的核心技术，而且具有节约能源、贵金属资源以及降低内燃机成本的巨大意义，显示了广阔的应用前景。然而柴油粘度高、挥发性差、自燃温度低等特性，致使在柴油机低温燃烧过程中稀均质混合气的制备、自然着火时刻的控制、压升率过高的控制以及负荷范围的拓展都变得相当困难。因此，燃烧过程中快速的混合率和充裕的混合时间是实现柴油机低温燃烧的根本保障，而这一结果的实现则需要控制缸内绝热火焰温度，这正是实现低温燃烧的关键所在。基于此，本文在前期研究工作的基础上，以实现超低的NOx和Soot排放，高的热效率为目标，通过大量的实验工作，深入探究了多脉冲喷射模式下不同的喷油定时、喷射压力、进气压力以及EGR率等燃烧控制参数对重型柴油机预混燃烧过程的影响规律及其耦合对燃烧过程的优化。同时，为了减少超细颗粒物对人体的危害，为了满足更加严格的排放法规，也对该模式下的微粒数浓度以及微粒的平均粒径大小进行了同步研究，并初步得出了微粒数浓度和其平均粒径大小的分布随着这些参数变化的一般规律。
1实验装置与实验方法
图1为本文所采用的实验系统示意图。该实验系统由电控高压共轨燃油供给系统、模拟增压进气系统、可变气门定时（VVT）系统、废气再循环（EGR）系统、多功能燃烧参数采集分析系统以及尾气排放测试系统等组成。该系统是在一台六缸重型柴油机上改装的，以第六缸为实验缸，实验过程中采用采用国Ⅳ柴油。表1给出了该实验柴油机的主要技术参数。
实验过程中，采用Kistler6125B型传感器测量缸内压力，经Kistler5001型电荷放大器转换成电压信号，经高速数据采集装置采集；采用日本HORIBA公司生产的7100气体排放仪测量NOx等气体排放以及EGR率；采用奥地利AVL公司生产的415S烟度计测量Soot排放；采用英国CAMBUSTION公司生产的DMS500快速微粒光谱仪测量的积聚态微粒（主要指固态颗粒，粒径通常介于30～150nm，它主要是由不完全燃烧产物（干碳烟）构成，通常有液态物质凝结其表面）和核态微粒（主要指液态微粒，粒径通常介于5～50nm之间，它主要是由水、润滑油、未燃燃油以及燃烧产物的凝聚物构成）的数浓度及平均粒径大小。
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缸体结构 直列六缸
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排量/L 11.596
缸径/mm 126
行程/mm 155
压缩比 17：1
进气涡流比 1.2
燃烧室 敞口ω型（带BUMP环）
孔数×孔径×锥角 8×0.217×143
最大功率(kW) 353（2100rpm）
最大扭矩（Nm） 1970（1200-1500rpm）
最高爆发压力(MPa) 16.5
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2实验结果及分析
2.1多脉冲喷射模式下喷射定时对预混燃烧过程的影响
首先，对多脉冲喷射模式下不同喷射定时对预混燃烧过程的影响进行了实验研究，实验时保持发动机转速为1600r/min，进气温度为300K左右，进气门关闭定时为-146°CAATDC，在循环总喷油量为45.8mg不变的情况下调节EGR率，EGR率变化范围为0～70%，具体实验参数如表2。
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IMEP 约0.42 MPa
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进气压力Pb （定） 1.59 bar
共轨压力Pcr （定） 160 MPa
（-90,-75,-60,-45）°CA ATDC
四次脉冲喷射定时θ （-80,-65,-50,-35）°CA ATDC
（-70,-55,-40,-25）°CA ATDC
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从图2中的a图、b图可以看出，随着EGR率从3.8%增加到69.5%，氧浓度从20.95%降低到13.24%，NOx和Soot排放都呈逐渐降低的趋势，且NOx和Soot排放最低值分别为0.033g/kWh和0.0017g/kWh（0.04FSN）。其原因归于缸内HO、CO等比热容较大的三原子气体增加以及其对混合气的氧浓度稀释，致使缸内平均温度峰值降低至1400K以下和氧化反应速率减慢，燃烧始点从-16deg.CAATDC推迟至-6.6deg.CAATDC，因而滞燃期明显延长，更长的滞燃期使缸内油气混合的更加均匀。另外，在EGR率小于50%，氧浓度高于17.24%时，NOx和Soot排放受喷射定时的影响较大；当EGR率大于60%，氧浓度低于15%，NOx和Soot排放几乎不再受喷射定时的影响。其原因归于大EGR率下，滞燃期更长，油气混合均匀，当量燃氧比均在0.35以下，缸内平均温度峰值1300K左右。
图3 瞬时放热率随EGR率变化
Fig.3 Rate of heat release versus EGR
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从图2中的c图可以看出，当EGR率的增大，氧浓度的降低，CO的比排放都呈先降低后升高的趋势。其原因从其比排放计算公式可以看出，EGR小于55%，氧浓度高于16%，CO的ppm值增加量较小，缸内平均温度峰值较高，有利CO的氧化；而EGR率大于60%，氧浓度低于14%时，燃烧恶化，CO的ppm值急剧增加。从图c还可以看出，起始喷射定时-90deg.CAATDC推迟到-70deg.CAATDC时，CO的比排放最小值从26.0g/kWh降至16.3g/kWh。从图3、4、5易知，起始喷射始点距上止点越远，滞燃期越长，再加上高的燃油喷射压力，缸内易形成过稀且相对更加均匀的混合气，放热率峰值200J/°CA，燃烧较柔和，缸内平均温度低于1400K，致使OH活化基生成率低，从而导致CO向CO转化率降低。
图4 缸内平均温度随EGR率变化
Fig.4 In-cylinder averaged temperature
versus EGR
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随着EGR率的增大，氧浓度的降低，指示热效率（ITE）都呈先升高后降低的趋势。 1/4 1 2 3 4 下一页 尾页 |
